Màng sinh học từ tre cho pin có hiệu suất vượt trội

GS Ziqi Sun, chuyên sâu nghiên cứu phát triển các giải pháp năng lượng bền vững từ những cấu trúc tự nhiên và nhóm các nhà khoa học, TS Jun Mei của QUT, GS Xiaomin Peng, TS Qian Zhang, Xiaoqi Zhang và GS Ting Liao đã đồng xuất bản công trình nghiên cứu về ứng dụng cấu trúc màng sinh học nhiều lớp trong thân tre cho các điện cực pin trên tạp chí Vật liệu Chức năng Tiên tiến.

GS Ziqi Sun cho biết, lớp màng dày bằng một tờ giấy mỏng này cho phép vận chuyển nước và dinh dưỡng cực nhanh theo thân cây, khiến tre có thể phát triển với tốc độ khoảng 40mm một giờ.

Lớp màng tre được tạo thành từ nhiều lớp. Các lớp được đóng gói rất sát nhau ở phía gần nhất vòng trong ống đốt tre, xa cách hơn hướng tâm cây tre. Một đặc điểm nữa là các lớp có cấu trúc xốp trên bề mặt bên trong. Màng là thành phần quan trọng nhất trong những thiết bị lưu trữ năng lượng, sẽ là một bước đột phá có được một ứng viên vật liệu tiềm năng cho lưu trữ năng lượng hiệu suất cao.

Qua nghiên cứu, các nhà khoa học phát hiện được, cấu trúc màng tre với nhiều lớp đan xen cho phép nước và chất điện giải di chuyển trong thân tre theo hai cách. Cấu trúc phân lớp bên trong, khoảng cách rất sát, cho phép chất lỏng và chất điện phân di chuyển “siêu lỏng”, có nghĩa là chất lỏng di chuyển rất nhanh trong cây tre. Lớp bên ngoài, với nhiều khoảng trống hơn giữa các lớp, cho phép chất lỏng phân tán nhanh hơn qua cấu trúc màng. Đó là lý do vì sao trong các ống tre luôn có nước.

Dự án nghiên cứu được phát triển trên cơ sở kết quả công trình trước đây về hiệu quả của vật liệu nano hai chiều, là vật liệu siêu mỏng cho sự vận chuyển cực nhanh các ion qua pin.

Trên cơ sở cấu trúc màng tre, nhóm nghiên cứu chế tạo một lớp màng mô phỏng cấu trúc tự nhiên, sử dụng các lớp “tấm nano” coban oxit và graphene, mỏng hơn tóc người khoảng 100.000 lần.

Nhóm nghiên cứu mô phỏng cấu trúc lớp của màng tre, áp dụng lực hút vào một mặt của các tấm nano. Những lớp gần bề mặt điện cực được ép chặt lại với khoảng cách nhỏ hơn 5nm có lực hút cao, những lớp bên ngoài xếp lên nhau, khoảng cách lên đến 2.200nm với lực hút yếu khi các lớp hình thành. Nanometer là một phần tỷ của mét.

Màng sinh học được chế tạo có hình tròn 50mm, dày hàng chục micromet (một micromet bằng 0,001mm) tạo thành từ hàng nghìn lớp, được kiểm tra khả năng vận chuyển các ion bằng cách đặt vào pin lithium-ion. Kết quả cho thấy, màng sinh học hoạt động vượt trội hơn các vật liệu khác thường được sử dụng cho các điện cực trong pin.

Các nhà khoa học cũng thử nghiệm khả năng thấm ướt của màng, đó là khả năng chất lỏng duy trì sự tiếp xúc với bề mặt rắn. Thí nghiệm cho thấy, các màng sinh học có một hành vi siêu thấm đối với chất điện phân hữu cơ, không có rào cản nào cho sự tiếp xúc và xâm nhập của chất điện phân từ bề mặt bên ngoài vào màng bên trong.